改性表面增强拉曼基底对几种重金属的定量检测

谭 雄， 刘显波， 白红杰， 崔旭东， 刘 彤

(1.西南科技大学国防科技学院， 绵阳621010； 2. 四川大学物理学院， 成都610065；3. 四川警察学院， 泸州646000； 4. 中国工程物理研究院化工材料研究所， 绵阳621900；5.中国工程物理研究院总体工程研究所， 绵阳621900)

1 引 言

除少部分金属离子对人类有益外，绝大多数重金属离子都对人体健康有着严重危害[1]，其中Pb2+、Cd2+、As3+等重金属离子污染范围最广、危害极大[2-3]，尤其是在水体中. 长期摄入超标重金属离子会导致功能系统障碍、神经损害、器官衰竭以及组织病变等[4-5]. 当前基于灵敏和选择性检测重金属的常规方法主要包括原子吸收光谱法(AAS)、电感耦合等离子质谱技术(ICP-MS)、高效液相色谱法(HPLC)及光谱[6-7]等技术，这些方法虽然表现出良好的检测效果，但存在样品前处理繁琐、检测速度慢、检测成本高等问题. 为了克服这些困难，基于电化学分析法、比色分析法和生物传感法[8-10]等快速检测技术得到应用，但仍然存在前处理过程复杂、过程不稳定、选择性差、灵敏度低等问题，限制了这些方法在现场检测中的广泛应用. 因此，有必要研发一种快速便捷、经济有效的检测方法或平台用于重金属离子的现场检测和安全监测. 表面增强拉曼光谱(SERS)技术具有检测快速、操作简便、设备简单及灵敏度高等优点，是近年来发展起来的具有巨大潜力的快速检测手段[11-12]，有望解决上述问题，实现重金属的便捷检测. SERS技术是利用分子非弹性散射指纹信号及贵金属基底增强作用获得微量物质的特征信息的一种检测技术，已在材料、医药[13]、食品、安全等领域展现出独特的应用优势和前景[14].

SERS技术在重金属离子检测应用中也得到了迅速发展[15-16]，利用探针分子改性基底解决了重金属离子不具备拉曼活性的问题[17-18]，借助探针分子吸附重金属离子实现了间接检测. 袁亚仙等[19]在抛光金片上修饰对巯基化合物，通过构建三明治结构实现了铜离子的检出；胡宝鑫等[20]利用巯基丙烷磺酸钠修饰银纳米的表面增强拉曼基底检测汞离子，通过检测拉曼光谱相对强度的变化，实现了汞离子浓度在0.005～0.1 μmol/L的线性定量检测；Tan等[21]以2-巯基异烟酸改性金纳米为载体制备了SERS传感器，用于检测水中的重金属离子，以波峰强度比变化为指标进行定性定量分析，取得了较好的效果；刘海霞等[22]利用化学沉积法在钢丝球表面沉积金纳米粒子，以1,8-辛二硫醇修饰并用于铅和镉离子的拉曼检测. 表面增强拉曼技术在重金属检测研究中得到了广泛关注，但目前仍存在基底稳定性差、增强效果不佳、检测离子种类单一、线性范围较窄等问题亟待优化或解决.

本文利用巯基化合物修饰金纳米粒子构建具有良好分散性及增强效果的重金属检测平台，并优化溶胶基底性能，用于对铅、镉、砷三种重金属离子的定量检测分析. 实验制备了用于改性的球形金纳米粒子[23-24]，并优化金纳米粒子的增强效果及稳定性，制备了由巯基苯甲酸(4-MBA)探针分子改性的金纳米球增强基底. 如图1所示，巯基苯甲酸的巯基键与金纳米表面形成具有强相互作用的Au-S键[25-27]，暴露在外的羧基与重金属离子特异性结合形成新键，使金纳米粒子发生团聚从而导致SERS的变化[28-29]，得到拉曼信号增强及特征峰变化，进而根据峰位及强度确定离子种类和浓度. 该方法优化了改性基底的制备条件，实现了对Pb2+、Cd2+、As3+三种重金属的判别区分，基底检出限可达0.1 mg/L，并在0.5～100 mg/L范围内对三种重金属离子都呈现良好的线性定量关系. 与其他方法相比，该方法具有更好的选择性和优异增强效果，且线性相关性良好.

图1 改性金溶胶增强基底制备原理及检测示意图

2.1 仪器与试剂

使用磁力加热搅拌器、恒温干燥箱、超声清洗机、高速离心机及优普超纯水机进行基底的制备，并用EVOLUTION201型紫外分光光度计、JEM2100F型透射电子显微镜、IDRAMAN-Micro532型拉曼光谱仪进行表征和测试；主要用到的试剂包括氯金酸(HAuCl4·H2O)、柠檬酸钠(Na3-Cit·3H2O)、无水乙醇(CH3CH2OH)，巯基苯甲酸(4-MBA)及砷、铅、镉离子的标准溶液.

2.2 金纳米球溶胶的合成

根据柠檬酸钠还原法[30-31]制备金溶胶，过程如下：1 mL 1 wt%的HAuCl4溶液加入99 mL纯水中加热搅拌至沸，迅速加入一定量新鲜配制的1 wt%柠檬酸钠溶液，观察到溶液变成灰黑色，继续搅拌加热30 min得到酒红色溶液，调节还原剂用量及反应时间实现金溶胶粒径大小和均一性的调控，自然冷却离心并在低温条件下避光保存.

2.3 改性增强基底的制备

取上述制备的金溶胶20 mL，加入1 mmol/L的4-MBA醇溶液1 mL和超纯水20 mL，振荡反应1 h并静置孵育5 h以上.如图1(a)所示4-MBA修饰到了金纳米粒子表面，改性后金溶胶的紫外可见光光谱(如图2(a))吸收峰发生红移，可知金纳米粒子的粒径变大，说明4-MBA修饰在了金纳米表面，同时优化制备过程提升基底性能，最后将改性SERS基底在4 ℃条件下避光保存.

2.4 增强基底对重金属离子的拉曼检测

重金属离子与改性增强基底结合改变了探针分子4-MBA的化学键及金纳米粒子的聚集状态，从而可以获得相应的特征拉曼变化信号，如图1(b)(c). 将制备的金溶胶增强基底与不同重金属离子标准溶液等体积混合，一定时间后进行拉曼光谱的检测，选择激光功率40 mW、积分时间5 s和积分次数10次，对不同重金属离子及不同浓度时进行拉曼检测，并对光谱及特征峰进行拟合处理和分析.

3 结果与分析

3.1 优化前后增强基底对重金属离子的拉曼响应

优化前，所制备的改性增强(SERS)基底对重金属Pb2+的拉曼响应检测如图2(b)所示，同空白样相比，当Pb2+浓度达到5 mg/L时，在1 049及1 587 cm-1处引起峰强的变化，说明4-MBA改性的SERS基底对重金属离子具有响应能力，但因乙醇溶剂峰与探针分子的特征峰重叠，致使4-MBA特征不稳定，干扰了对峰的分析. 调节还原剂用量和反应时间等对基底进行了优化，进一步去除干扰、改善改性SERS基底的增强效果和稳定性，如图2(a)(c)获得了形貌及粒径较统一的金纳米粒子溶胶，UV-Vis及TEM图像，粒径范围30 nm左右，改性基底增强及稳定效果得到进一步提升. 主要优化结果为柠檬酸钠与氯金酸的摩尔比MR=2、反应时间t=18 min，改性后在3 000 r/min条件下离心2～3次，去除过量的探针分子及乙醇溶剂，浓缩溶胶、减少干扰.

优化后，改性SERS基底对重金属Pb2+的拉曼响应光谱中已无乙醇峰的干扰且存在4-MBA的特征峰，如图2(b)，并在Pb2+浓度为0.1 mg/L的时观察到了拉曼峰强的变化.0.5 mg/L时峰强的变化更为明显，证实了优化后的改性基底增强效果得到了显著提升. 同时，分别表征了4-MBA粉末、金溶胶、改性SERS基底及基底对不同重金属离子的响应效果，由图2(d)可知，在4-MBA的拉曼光谱中，915 cm-1归属于S-H键的振动峰，1 077 cm-1处的拉曼峰为苯环取代基的敏感伸缩振动峰，1 178 cm-1处的峰归属于C-H变形振动峰，位于1 581 cm-1归属为C-C伸缩振动峰；而金纳米溶胶几乎无拉曼峰，当4-MBA修饰AuNPs后，位于915 cm-1的S-H振动峰消失，说明硫和金纳米已发生相互作用，且在与金溶胶接枝后1 075和1 583 cm-1处重新出现了特征峰；改性SERS基底与不同重金属离子混合后，拉曼光谱中出现了1 047 cm-1附近的新特征峰及1 075、1 587 cm-1峰的位移和增强，通过特征峰的变化关系即可实现对重金属离子的判别和定量检测，说明优化后得到的SERS基底具有对重金属离子良好的检测能力.

3.2 重金属离子的拉曼定量检测与拟合分析

制备的改性SERS基底分别与Pb2+、Cd2+、As3+三种重金属离子标准溶液的稀释溶液等体积混合进行拉曼检测. 如图3所示，分别为改性SERS基底与不同重金属离子在不同浓度混合时的拉曼光谱检测结果及其相应波数的线性拟合，对三种重金属离子的检出限能够达到了0.1 mg/L；在1 049、1 047、1 045、1 075及1 587 cm-1处引起了明显的特征峰变化；并且在浓度范围为0.5～100 mg/L时，特征峰强度与浓度呈现出良好的线性关系.

图2 改性SERS基底对重金属离子的表征及拉曼响应检测

图3(a) 不同浓度Pb2+的拉曼检测光谱及1 049 cm-1的拟合曲线

图3(b) 不同浓度 Cd2+的拉曼检测光谱及1 047 cm-1的拟合曲线

图3(c) 不同浓度As3+的拉曼检测光谱及在1 045 cm-1的拟合曲线

从图3中的检测结果可以看出在重金属离子浓度为0.5～100 mg/L范围时，优化后的改性SERS基底对Pb2+、Cd2+、As3+的拉曼光谱特征峰强度，随浓度的增加都呈现出良好的线性关系. 增强基底与每种重金属的拉曼光谱都产生了三处较强的特征峰变化，其中1 049、1 047和1 045 cm-1分别归属于三种金属离子与羧基结合产生的新键峰，其峰位偏移依赖于原子半径变化，原子半径Pb2+(1.75)>Cd2+(1.49)>As3+(1.21)，可见原子半径引起的探针分子团聚结构的变化存在规律性差异[32]，可用于区分不同重金属离子；1 075 cm-1为苯环取代基的敏感伸缩振动峰的位移峰；1 587 cm-1归属为C-C伸缩振动峰的位移. 图3(a)为Pb2+的增强拉曼光谱，对不同浓度下1 049 cm-1处峰强线性拟合，其斜率为64.00，相关系数R2达0.998 7，线性相关性良好；图3(b)为Cd2+的增强拉曼光谱，除10 mg/L时误差较大外，对不同浓度下1 047 cm-1处峰强的线性拟合，其斜率为33.619 9，R2达0.995 8，呈现良好的线性关系；图3(c)为As3+的增强拉曼光谱，对1 045 cm-1处峰强进行线性拟合，其斜率为43.147，R2达0.998 9，呈现良好的线性相关性.

通过测试分析可知，优化后的改性SERS基底对Pb2+、Cd2+、As3+三种重金属离子的标准溶液检测，在一定浓度范围内具有很好的区分重金属离子和定量分析的能力. 同时，可以看出改性SERS基底对三种重金属离子的检测特征峰偏移位置相近，主要原因一是波数偏移差异依赖于检测仪器的分辨率，二是由于探针分子结合位点影响特征峰差异性指标数量，虽然在一定程度上提高了应用范围要求，但本研究中，仍可实现对铅、镉、砷三种重金属离子的判别和定量分析，具有一定的应用价值.

3.3 水样中加标验证实验

为了验证方法的可行性和实用性，对自来水和池水进行了Pb2+含量的加标回收检测，自来水和池水分别取自学校附近，使用ICP检测确认了As3+、Pb2+、Cd2+初始含量，重金属离子含量及拉曼光谱加标回收检测结果如图4所示. 可见，本实验所制备的溶胶型增强基底(如表1)对水样中Pb2+的加标回收率在94.5%～110.01%之间，具有一定实际应用价值.

表1 加标回收测试

4 结 论

以巯基化合物改性金溶胶制备增强基底的方法简单易操作，通过优化获得了增强效果显著的改性表面增强基底. 使用改性增强基底对Pb2+、Cd2+、As3+三种重金属离子进行了浓度梯度拉曼检测，获得了特征峰差异及浓度-强度变化关系，具有对三种重金属离子的判别能力；同时增强基底检出限达到了0.1 mg/L，且对Pb2+、Cd2+、As3+三种重金属离子在浓度0.5～100 mg/L浓度范围都获得了很好的线性拟合关系，具有良好的定量分析能力且稳定性良好，可应用于重金属离子的简单快速检测需求中，对于相关研究具有一定的参考价值. 目前，表面增强基底对多种重金属离子共存时的区分仍是一大难题，由于重金属离子引起的特征峰差异较小，使得离子共存时特征峰合并而难以区分，但可考虑引入掩蔽剂等方法对混合重金属溶液进行预分离，或选择多活性位点的新型探针分子增加结合重金属离子后的特征信息等方法实现，将在后续研究中进一步改进和探索.